산업용·주택용 배선용차단기

왜 배우는가: 배선용차단기(MCCB)는 저압 옥내 배선과 기기를 과부하·단락 사고로부터 보호하는 핵심 기기다. 산업용과 주택용 규격이 나뉘어 적용되고, 정격차단용량·AF·AT 같은 용어가 매 회차 반복해 출제되므로 개념을 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 6번, 제126회 1교시 9번, 제111회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

배선용차단기(MCCB)는 교류 600V 이하·직류 250V 이하 저압 옥내 전로에서 과부하와 단락 사고 시 자동으로 전로를 차단하는 기기이다.

• 배선용차단기
• MCCB(Molded Case Circuit Breaker)
• 과전류 트립
• 정격차단용량(kA)
• AF(Ampere Frame)
• AT(Ampere Trip)
• 열동·전자 복합 트립
• KS C 8321

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 배선용차단기는 전선이 과하게 뜨거워지거나 합선이 나면 스스로 전기를 끊어 주는 스위치다. 퓨즈처럼 녹아서 끊어지지 않고, 끊어진 뒤에도 손잡이를 올려 다시 쓸 수 있다.

정식 정의는 KS C 8321이 정한 것으로, 개폐기구와 트립장치를 절연물 용기 안에 일체로 조립하고, 통상 상태의 전로를 수동 또는 외부 조작장치로 개폐하며, 과부하와 단락 때 자동으로 전로를 차단하는 기구다. 여기서 몰드케이스는 절연 성능을 확보하는 외함을 뜻한다.

원리는 두 가지 트립이 결합된 구조다. 과부하처럼 완만한 과전류는 바이메탈이 열로 휘어 래치를 풀고(열동식, 한시 트립), 단락처럼 큰 전류는 전자석이 순간적으로 당겨 즉시 차단한다(전자식, 순시 트립). 두 장치가 모두 트립 기구에 기계적으로 작용한다.

차단 과정에서는 접점이 떨어지며 아크가 생긴다. 차단기는 병렬로 배치된 소호 그리드(grid) 에 아크를 밀어 넣어 늘이고 냉각해서 소호한다. 이 소호 능력이 정격차단용량을 결정한다.

정격전류는 규정된 조건에서 이상 없이 흘릴 수 있는 부하전류의 상한이다. 정격차단용량은 단락 사고 때 차단기가 안전하게 끊을 수 있는 전류의 한계이므로, 선정 시 계통의 단락전류 이상이어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

저압 배선과 기기는 과부하와 단락이 생기면 과열되어 절연이 깨지고 화재로 이어진다. 초기에는 퓨즈가 이 역할을 맡았으나, 퓨즈는 한 번 녹으면 교체해야 하고 용단 특성이 들쭉날쭉하며 사고 후 복구가 번거롭다는 한계가 있었다. 이 한계를 줄이기 위해 절연 용기 안에 개폐와 트립 기능을 일체화한 배선용차단기가 쓰이기 시작했다.

산업이 커지고 공장 설비의 용량이 늘면서 단락전류도 커졌다. 그래서 같은 크기의 차단기라도 소호 능력을 키운 고차단형이 필요해졌다. 이에 따라 정격차단용량(kA)과 프레임 크기(AF)를 구분하여 규격화하는 흐름이 생겼다.

주택과 상가가 늘면서 사람이 직접 접촉하는 저용량 회로를 보호하는 소형 차단기 수요도 커졌다. 이에 따라 용량과 사용 환경에 따라 산업용과 주택용 규격이 나뉘어 발전했다. 국내에서는 KS C 8321이 배선용차단기의 정의와 성능 기준을 정하고 있다.

정격차단용량은 단락전류 이상이어야 한다는 원칙은 이 필요성에서 나온다. 차단 용량이 부족하면 차단기가 고장 전류를 끊지 못하고 파괴되어 사고가 커진다.

4. 구성요소·원리·절차

배선용차단기는 개폐기구, 트립장치, 소호장치, 단자부가 절연물 용기 안에 일체로 조립된 기기다. 과전류와 단락전류를 감지해 자동으로 회로를 차단한다.

열동 트립장치는 과전류가 일정 시간 이상 흐를 때 동작한다. 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반한시 특성을 가진다. 전자 트립장치는 설정값을 넘는 고전류에서 시간 지연 없이 동작한다. 두 요소가 함께 있어 과부하와 단락을 모두 막는다. 이 구조가 열동-전자 복합형이며, 완전 전자형은 전자식으로 두 특성을 모두 처리한다.

원리는 다음 순서로 진행된다.

• 과전류가 흐르면 바이메탈이 가열되어 구부러진다(과부하 시) 또는 전자석이 순간 흡인된다(단락 시).
• 트립 크로스바가 작동하여 개폐기구의 래치를 푼다.
• 스프링의 힘으로 접점이 빠르게 개방된다.
• 접점 사이에 생긴 아크를 소호 그리드가 나누어 소멸시킨다.
• 접점이 완전히 열리며 회로가 차단된다.

차단 시간은 전체 차단시간과 아크시간의 합으로 본다. 전체 차단시간은 개방 동작 개시부터 모든 접점이 분리될 때까지다. 아크시간은 접점 분리 후 아크가 완전히 소멸할 때까지다. 투입시간은 투입 동작 개시부터 접점이 완전히 닫힐 때까지의 시간이다.

5. 관련 법령·기준·표준

배선용차단기의 설계와 선정은 KS C 8321(배선용차단기) 정의와 한국전기설비규정(KEC)의 과전류 보호 조항을 따른다. 전기설비의 과전류 보호는 KEC의 과전류에 대한 보호 조항을 근거로 한다. 차단기는 전선의 허용전류보다 작은 값으로 정격전류를 정하는 것이 원칙이다.

정격차단용량은 선로의 예상 단락전류 이상이어야 한다(단, 캐스케이드 방식에서는 주차단기가 후비 보호하므로 예외가 있다). 「KEC」의 참고 선정표는 공급방식, 공급전압, 차단기 정격전류별 정격차단전류를 정한다. 아래 표는 단상 220V와 3상 380V 참고값이다.

이 표는 변압기 2차측에서 인입구 차단기까지 전선길이 20m를 기준으로 한다. 전선길이가 35m 이상이면 1.5kA 를 적용한다. 저압 주차단기 이외의 차단기에는 이 표를 적용하지 않을 수 있다.

주요 기준 수치는 다음과 같다.

• 교류 600V 이하, 직류 250V 이하의 저압 옥내 전로에 쓴다(KS C 8321 정의).
• 국제규격 IEC 60898-1의 정격전류 기준온도는 규격이 정한 값을 따른다. 트립 특성 기호는 B형·C형·D형 순으로 순시 트립 배수가 커진다.
• 산업용은 IEC 60947-2 계열로 시험하며 주로 고정밀 열동-전자 트립과 조정 가능한 설정을 쓴다.

개정 연혁은 다음과 같다. 2021-01-01부터 전기설비 기준이 한국전기설비규정(KEC)으로 바뀌었다. 과거 판단기준 체계는 대체되었다. 배선용차단기의 KS 명칭과 정의는 KS C 8321을 기준으로 현행 적용한다.

6. 유형과 비교

배선용차단기는 프레임 크기, 구조 형식, 트립 방식, 사용 목적에 따라 나뉜다. 주택용과 산업용은 같은 원리로 동작하지만 정격차단용량, 적용 설비, 설치 환경에서 차이가 난다. 실무에서는 두 계열을 혼용하지 않도록 사양을 구분해 선정한다.

• 주택용 배선용차단기(MCB 계열): 정격전류 수십 A 이하, 소형 몰드케이스 구조, 단극·2극·3극 제품이 주류다. 분전반의 분기회로 보호에 쓴다.
• 산업용 배선용차단기(MCCB): 프레임 크기가 크고 정격전류 범위가 넓다. 간선·동력 회로와 수전 설비의 주차단기에 쓴다.
• 열동형 과전류 트립: 바이메탈이 과부하 전류로 가열되어 굽으며 Trip Cross Bar를 동작시킨다. 과부하 보호에 적합하며 동작에 시간 지연이 있다.
• 전자형 과전류 트립: 전류를 검출한 전자 회로가 전자석을 구동한다. 정밀한 시한·순시 특성을 설정하기 쉽다.
• 열동 전자형: 과부하는 열동 소자, 단락은 전자 소자가 맡는 복합 방식이다. 산업용 MCCB의 일반적인 구성이다.